铜连线技术

IC中各元件之间的连线用铜线来连接的技术

铜连线技术是指IC中各元件之间的连线用铜线来连接的技术。具有铜连线的电阻R比铝连线小、铜连线的寄生电容比铝连线小、铜连线的电阻小等优点。

技术简介

从60年代初第一块集成电路(IC)问世起，IC中各元件之间的连线一直用着金属铝。IC的布线工艺由蒸铝和腐蚀铝(简称刻铝)工序完成。早期的铝线都做在同一平面上，称作单层连线。随着IC集成度的提高，走线越来越复杂，单层连线发展成多层连线，有的IC铝线有六七层之多。同层铝线之间及相邻各层铝线之间的电绝缘由介电常数为4的二氧化硅绝缘材料完成。以上这些是半导体界众所周知的事实。因此，当1997年12月，IBM，Motorola和TI(德克萨斯仪器)公司在华盛顿特区举行的国际电子器件会议上宣布他们将于1998年推出铜连线IC时，引起了不小的轰动，记者们纷纷采访有关公司的科学家和工程师，探询铜连线技术的优点、铜连线的制作工艺等详细情况。

技术优点

和铝连线相比，铜连线有许多优点：

（1）铜连线的电阻R比铝连线小。铜的电阻率为1.7μΩ/cm，

铝的电阻率为3.1μΩ/cm，铜的电阻率较低，因而减少了阻容（RC）延迟，改善了性能。

（2）铜连线的寄生电容比铝连线小。因为铜的电阻率低，导电性能好，在承受相同电流时，铜连线截面积比铝连线小，因而相邻连线间的寄生电容C小，信号串扰也小。这就是说，铜连线的时间常数RC比铝连线小，信号在铜连线上传输的速度比在铝连线上快，这对高速IC是很有利的。

（3）铜连线的电阻小，导致铜连线IC功耗比铝连线IC功耗低，这很有利于电池供电的笔记本电脑和移动通信设备。

（4）铜的另一个优点是它的耐电迁移性能远比铝好。IBM公司发现，与传统的铝连线相比，铜连线的抗电迁移性能提高了两个数量级，而且没有因应力迁移而产生连线空洞，因而有利于IC可靠性的提高。

（5）铜连线IC制造成本低。IBM公司发明的实现铜连线的双镶嵌(dual damascene)IC工艺，比铝连线IC工艺减少了约20%—30%的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序。

（6）铜连线还提供了更小的时钟和信号畸变，改善了片上功率分配。

另外，铜连线的布线层数目比铝连线少，对某些IC器件，铜连线的层数只有铝连线的一半。上述两点都能明显降低铜连线IC的制造成本。铜金属工艺被认为是下一代芯片的方向，但此前一直没有实现量产。

由于铜连线IC的速度、功耗、可靠性等性能好、成本低，许多大型集成电路制造工厂都开展了IC铜连线开发项目。IBM公司开发了CMOS 7S工艺，该工艺用六层铜连线，晶体管的有效沟道长度为0.12μm(版图上为0.2μm)，电源电压1.8V，集成度高达200万个晶体管。1998年1月，IBM已将CMOS 7S工艺用于生产专用集成电路ASIC。Motorola公司的开发项目与IBM相似，它的第一批产品是快速静态随机存储器SRAM。

铜连线降低了电容和信号串扰效应，若将铜连线和低介电常数的绝缘材料相结合，这种铜/低介电常数介质连线，速度将会更快，串扰将会更小。TI公司将低介电常数介质技术用于铜连线工艺中，耗资1.5亿美元建成了新的中心进行铜/低介电常数介质连线技术的开发项目。3年前该公司就开始低介电常数介质——一种硅基介质的研究开发工作，早期开发的介质称为xerogel，是一种多孔二氧化硅，它的介电常数会随气孔率而变，用气孔率为75%、介电常数为1.8的xerogel制成铜/xerogel连线，电阻比铝/二氧化硅连线降低30%，电容降低14%。近来TI公司又开发出称作纳米玻璃的介质，它的介电常数能在1.3到2.5之间变化。这种低介电常数介质可用惯用的自旋镀膜机镀到硅片上，然后烘干排除溶剂。和xerogel相比，它在几分钟内便可排除溶剂，而xerogel需要数小时。而且纳米玻璃温度稳定性也比xerogel好，在800℃下仍很稳定。TI公司研究了0.3μm铜/纳米玻璃连线IC，和铝/二氧化硅连线IC相比，电阻相同时，电容下降36%；电容相同时，电阻下降46%；RC性能几乎提高1倍。

制作工艺

综上所述，铜连线技术的优点是明显的，那么为何铜连线技术迟到今天才开始用于IC生产上呢?原因很多，其中最主要的是铜和铝的重大区别：铜是快扩散物质，一旦进入器件的有源区(晶体管的源/漏/栅区)，器件就会失效。这就要求开发出全新工艺，保证铜连线和IC的其他部分完全隔离。

IBM公司最先开发出双镶嵌(dual damascene)工艺。图1是由双镶嵌工艺实现的铜连线结构，在半导体晶片上，依次是绝缘介质层、阻挡铜扩散的钽/氮化钽阻挡层、铜籽晶层、填充引线沟槽的电镀铜层。

图2是双镶嵌工艺的主要流程：(1)介质层沉积；(2)接线“柱”光刻和反应离子腐蚀；(3)连线光刻和反应离子腐蚀；(4)接线“柱”和连线沟槽电镀铜填充；(5)金属化学-机械抛光；最后在抛光后的铜上覆盖一层氮化硅。

图3是IBM的CMOS 7S工艺制作的六层铜连线。

铜引线镶嵌工艺是在一种古老的技艺基础上开发出来的。在该技艺中，用金属填满从周围材料中挖出的沟槽的办法来得到所需要的金属线图案，在双镶嵌IC工艺中，用电镀铜填满在绝缘介质中挖出的接线“柱”和连线沟槽，然后进行化学-机械抛光使其高度平整。可见铜淀积是十分重要的。有5种淀积铜的工艺，即：PVD，CVD，电离PVD，电镀和化学镀。还很难说哪种工艺最好。IBM采用的电镀工艺，要求在阻挡层之上淀积约500厚的铜籽晶层。通常，籽晶层是用PVD法淀积的，人们也在研究用CVD法淀积铜籽晶层。有厂商计划于1999年推出用于淀积阻挡层和铜籽晶层的新设备。估计第一个用这种设备实现的阻挡层/籽晶层工艺将是PVD钽和CVD铜工艺。

最佳IC连线系统是铜/低介电常数介质连线系统，与传统的铝/二氧化硅连线系统相比，它有如下优点：金属连线层数目少；芯片速度高、功耗低；制造成本低；耐电迁移性能好、芯片可靠性高。

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